Теория множеств

Тео́рия мно́жеств — раздел

.

Теория множеств стала основой многих разделов математики — общей топологии, общей алгебры, функционального анализа и оказала существенное влияние на современное понимание предмета математики^[1]. В первой половине XX века теоретико-множественный подход был привнесён и во многие традиционные разделы математики, в связи с чем стал широко использоваться в преподавании математики, в том числе в школах. Однако использование теории множеств для логически безупречного построения математических теорий осложняется тем, что она сама нуждается в обосновании своих методов рассуждения. Более того, все логические трудности, связанные с обоснованием математического учения о бесконечности, при переходе на точку зрения общей теории множеств приобретают лишь бо́льшую остроту^[2].

Начиная со второй половины XX века представление о значении теории и её влияние на развитие математики заметно снизились за счёт осознания возможности получения достаточно общих результатов во многих областях математики и без явного использования её аппарата, в частности, с использованием

(развиваемая в основном чешскими математиками).

Ключевые понятия теории

.

Множества, в том числе и бесконечные, в неявной форме фигурировали в математике со времён

.

Первое представление об актуально бесконечном множестве относят к работам

классы вычетов

) и разбивает всё множество на эти классы, отмечая их бесконечность и взаимное соответствие, рассматривает бесконечное множество решений ${\displaystyle ax+b\equiv 0{\pmod {n}}}$ как единую совокупность, классифицирует бинарные квадратичные формы (${\displaystyle ax^{2}+2bxy+cy^{2}}$) в зависимости от определителя и рассматривает этот бесконечный набор классов как бесконечные совокупности объектов нечисловой природы, предполагает возможность выбирать из классов эквивалентностей по одному объекту-представителю всего класса^[5]: использует методы, характерные для теоретико-множественного подхода, не использовавшиеся явно в математике до XIX века. В более поздних работах Гаусс, рассматривая совокупность комплексных чисел с рациональными вещественной и мнимой частью, говорит о вещественных, положительных, отрицательных, чисто мнимых целых числах как её подмножествах^[6]. Однако бесконечные множества или классы как самостоятельные объекты исследования Гауссом явно не выделялись, более того, Гауссу принадлежат высказывания против возможности использования актуальной бесконечности в математических доказательствах^[7].

Более отчётливое представление о бесконечных множествах проявляется в работах

.

Наиболее близкие к наивной теории множеств Кантора представления содержатся в трудах

.

Наивная теория множеств

Основным создателем теории множеств в наивном её варианте является немецкий математик

Кантор доказал взаимно-однозначное соответствие между ${\displaystyle \mathbb {R} }$ и ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ (для любого ${\displaystyle n>0}$). Первыми результатами Кантор делился в переписке с Дедекиндом и Вейерштрассом, которые отвечали благосклонной критикой и замечаниями к доказательствам, и начиная с 1879 года вплоть до 1884 года опубликовал шесть статей в Mathematische Annalen с результатами исследований бесконечных точечных множеств^[18][19].

В

операций объединения и пересечения; в обозначениях Дедекинда:

${\displaystyle (A+B)-(A+C)=A+(B-(A+C))}$,

${\displaystyle (A-B)+(A-C)=A-(B+(A-C))}$,

в последующих своих работах многократно используя этот результат[20]. В публикации 1878 года о равномощности континуумов разного числа измерений Кантор использовал теоретико-множественные операции, ссылаясь на работу Дедекинда. Кроме того, в этой же работе впервые в явном виде введено понятие мощности множества, доказана счётность всякого бесконечного подмножества счётного множества, а конечные поля алгебраических чисел предложены как примеры счётных множеств. Результат Кантора о равномощности континуумов разного числа измерений привлёк широкое внимание математиков, и уже в том же году последовало несколько работ (Люрот^[нем.], Томе^[нем.], Нетто) с неудачными попытками доказательства невозможности одновременной непрерывности и взаимной однозначности отображения континуумов различных размерностей^[21] (точное доказательство этого факта дал Брауэр в 1911 году).

В

).

С 1885—1895 годы работы по созданию наивной теории множеств получили развитие прежде всего в трудах Дедекинда (Кантор в течение этих 10 лет опубликовал лишь одну небольшую работу из-за болезни). Так, в книге «Что такое числа и для чего они служат?»

и теорией множеств.

В 1895—1897 годы Кантор опубликовал цикл из двух работ, в целом завершающий создание наивной теории множеств[27]^[28].

С начала 1880-х годов, прежде всего, после публикации идей о трансфинитной индукции, теоретико-множественный подход встретил острое неприятие многими крупными математиками того времени, основными оппонентами в то время были

.

Парадоксы

Размытость понятия множества в наивной теории, при которой допускалось построение множеств лишь по признаку сбора всех объектов, обладающих каким-либо свойством, привела к тому, что в период 1895—1925 годов была обнаружена значительная серия противоречий, внесшая серьёзные сомнения в возможность использования теории множеств как фундаментального инструмента, ситуация получила известность как «кризис оснований математики»^[31].

Противоречие, к которому приводит рассмотрение множества всех

как множества всех множеств, так как множество всех его подмножеств должно было бы быть равномощно самому себе, не удовлетворяя принципу ${\displaystyle {\mathfrak {m}}<2^{\mathfrak {m}}}$^[34], впоследствии эта антиномия стала известна как парадокс Кантора. В дальнейшей переписке Кантор предложил рассматривать собственно множества (нем. mengen), которые могут быть мыслимы как единый объект, и «многообразия» (vielheiten) для сложных конструкций, в том или ином виде эта идея нашла отражения в некоторых поздних аксиоматизациях и обобщениях^[35].

Наиболее значительным противоречием, повлиявшим на дальнейшее развитие теории множеств и оснований математики в целом стал парадокс Рассела, обнаруженный около 1901 года Бертраном Расселом и опубликованный в 1903 году в монографии «Основания математики». Суть парадокса в противоречии при рассмотрении вопроса о принадлежности самому себе множества всех множеств, не включающих себя. Кроме того, примерно к тому же времени относится обнаружение таких антиномий как парадокс Ришара, парадокс Берри и парадокс Греллинга — Нельсона, показывающих противоречия при попытках использования самореференции свойств элементов при построении множеств.

В результате осмысления возникших парадоксов в сообществе математиков возникло два направления по разрешению возникших проблем: формализация теории множеств посредством подбора системы аксиом, обеспечивающей непротиворечивость при сохранении инструментальной мощи теории, второе — исключение из рассмотрения всех не поддающихся интуитивному осмыслению конструкций и методов. В рамках первого направления, начатого Цермело, Гильбертом, Бернайсом, Хаусдорфом, было создано несколько вариантов аксиоматической теории множеств^[⇨] и за счёт довольно искусственных ограничений преодолены основные противоречия. Второе направление, основным выразителем которого был Брауэр, породило новое направление в математике — интуиционизм, и в той или иной мере оно было поддержано Пуанкаре, Лебегом, Борелем, Вейлем.

Первую аксиоматизацию теории множеств в 1908 году опубликовал Цермело, центральную роль в исключении парадоксов в этой системе должна была сыграть «аксиома селекции» (нем. Aussonderung), согласно которой от свойства ${\displaystyle P(x)}$ только тогда можно образовать множество ${\displaystyle \{x\mid P(x)\}}$, если из ${\displaystyle P(x)}$ следует отношение вида ${\displaystyle x\in A}$

, система с аксиомой выбора обозначается ZFC, без аксиомы выбора — ZF.

Особая роль аксиомы выбора связана с её интуитивной неочевидностью и заведомым отсутствием эффективного способа определения множества, собранного из элементов семейства. В частности Борель и Лебег считали, что доказательства, полученные с её применением, имеют другую познавательную ценность, нежели доказательства, независимые от неё, тогда как Гильберт и Хаусдорф принимали её безоговорочно, признавая за ней не меньшую степень очевидности, что и за другими аксиомами ZF^[36].

Другой получивший распространение вариант аксиоматизации теории множеств был разработан фон Нейманом в 1925 году, формализован в 1930-е годы Бернайсом, и упрощён Гёделем в 1940 году (в работе по доказательству независимости континуум-гипотезы от аксиомы выбора), окончательный вариант получил известность как система аксиом фон Неймана — Бернайса — Гёделя и обозначение NBG^[37].

Существует ряд прочих аксиоматизаций, среди них система Морса — Келли^[англ.] (MK), система Крипке — Платека^[англ.], система Тарского — Гротендика^[англ.].

В начале XX века в работах Лебега, Бэра, Бореля исследованы вопросы измеримости множеств. На основе этих работ в 1910—1930 годы разработана теория дескриптивных множеств, систематически изучающая внутренние свойства множеств, построенных теоретико-множественными операциями из объектов относительно простой природы — открытых и замкнутых множеств евклидова пространства, метрических пространств, метризуемых топологических пространств со счётной базой. Основной вклад в создание теории внесли Лузин, Александров, Суслин, Хаусдорф. С 1970-х годов разрабатываются обобщения дескриптивной теории множеств на случай более общих топологических пространств.

латинского

алфавитов

В основе теории множеств лежат первичные понятия: множество и отношение принадлежности множества (обозначается как ${\displaystyle x\in A}$^[38] — «${\displaystyle x}$ есть элемент множества ${\displaystyle A}$», «${\displaystyle x}$ принадлежит множеству ${\displaystyle A}$»). Пустое множество, обычно обозначается символом ${\displaystyle \varnothing }$ — множество, не содержащее ни одного элемента.

 — соотношения включения одного множества в другое (обозначаются соответственно ${\displaystyle A\subseteq B}$ и ${\displaystyle A\supseteq B}$ для нестрогого включения и ${\displaystyle A\subset B}$ и ${\displaystyle A\supset B}$ — для строгого).

Над множествами определены следующие операции:

• объединение, обозначается как ${\displaystyle A\cup B}$ — множество, содержащее все элементы из ${\displaystyle A}$ и ${\displaystyle B}$,
• разность, обозначается как ${\displaystyle A\setminus B}$, реже ${\displaystyle A-B}$ — множество элементов ${\displaystyle A}$, не входящих в ${\displaystyle B}$,
• дополнение
  , обозначается как ${\displaystyle \setminus A}$ или ${\displaystyle -A}$ — множество всех элементов, не входящих в ${\displaystyle A}$ (в системах, использующих универсальное множество),
• пересечение, обозначается как ${\displaystyle A\cap B}$ — множество из элементов, содержащихся как в ${\displaystyle A}$, так и в ${\displaystyle B}$,
• симметрическая разность, обозначается как ${\displaystyle A\bigtriangleup B}$, реже ${\displaystyle A\;\;\!\!{\dot {-}}\;\;\!\!B}$ — множество элементов, входящих только в одно из множеств — ${\displaystyle A}$ или ${\displaystyle B}$.

Объединение и пересечение также часто рассматривают над семействами множеств, обозначаются ${\displaystyle \bigcup {\mathfrak {A}}}$ и ${\displaystyle \bigcap {\mathfrak {A}}}$ и составляют, соответственно, объединение всех множеств, входящих в семейство ${\displaystyle {\mathfrak {A}}}$ и пересечение всех множеств, входящих в семейство.

Объединение и пересечение коммутативны, ассоциативны и идемпотентны. В зависимости от выбора системы аксиом и наличия дополнения алгебра множеств (относительно объединения и пересечения) может образовывать дистрибутивную решётку, полную дистрибутивную решётку, булеву алгебру. Для визуализации операций над множествами используются диаграммы Венна.

множеств ${\displaystyle A}$ и ${\displaystyle B}$ — множество всех упорядоченных пар элементов из ${\displaystyle A}$ и ${\displaystyle B}$: ${\displaystyle A\times B=\{(x,y)\mid x\in A\land y\in B\}}$. ${\displaystyle f}$ множества ${\displaystyle A}$ в множество ${\displaystyle B}$ теории множеств рассматривается как бинарное отношение — подмножество ${\displaystyle A\times B}$ — с условием единственности соответствия первого элемента второму: ${\displaystyle (x,y)\in f\Rightarrow \forall z\neq y((x,z)\notin f)}$.

 — множество всех подмножеств данного множества, обозначается ${\displaystyle {\mathcal {P}}(A)}$ или ${\displaystyle 2^{A}}$ (так как соответствует множеству отображений из ${\displaystyle A}$ в ${\displaystyle \mathbf {2} =\{0,1\}}$).

Мощность множества (кардинальное число) — характеристика количества элементов множества, формально определяется как класс эквивалентности над множествами, между которыми можно установить взаимно-однозначное соответствие, обозначается ${\displaystyle |A|}$ или ${\displaystyle \sharp A}$. Мощность пустого множества равна нулю, для конечных множеств — целое число, равное количеству элементов. Над кардинальными числами, в том числе характеризующими бесконечные множества, можно установить отношение порядка, мощность счётного множества обозначается ${\displaystyle \aleph _{0}}$ (алеф — первая буква еврейского алфавита), является наименьшей из мощностей бесконечных множеств, мощность континуума обозначается ${\displaystyle {\mathfrak {c}}}$ или ${\displaystyle 2^{\aleph _{0}}}$, континуум-гипотеза — предположение о том, что между счётной мощностью и мощностью континуума нет промежуточных мощностей.^[39]

Если кардинальное число характеризует класс эквивалентности множеств относительно возможности установить взаимно-однозначное соответствие, то

(с операциями сложения и умножения), порядковое число конечных множеств совпадает с кардиналом (обозначается соответствующим натуральным числом), порядковое число множества всех натуральных чисел с естественным порядком обозначается как ${\displaystyle \omega }$, далее конструируются числа:

${\displaystyle \omega +1,\omega +2,\dots ,\omega \cdot 2,\omega \cdot 2+1,\dots ,\omega ^{2},\dots \omega ^{\omega },\dots ,\omega ^{\omega ^{\omega }},\dots ,}$,

после чего вводятся ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$-числа:

${\displaystyle \varepsilon _{0}=\omega ^{\omega ^{\omega ^{\cdot ^{\cdot ^{\cdot }}}}}=\sup\{\omega ,\omega ^{\omega },\omega ^{\omega ^{\omega }},\omega ^{\omega ^{\omega ^{\omega }}},\dots \}}$.

Множество всех ${\displaystyle \omega }$- и ${\displaystyle \varepsilon }$-чисел — счётных ординалов — обладает мощностью ${\displaystyle \aleph _{1}}$.^[40]

Средствами

 — построен по принципу схожести с поведением множеств в теоретико-множественном понимании, элементарными топосами удалось представить практически все варианты теории множеств.

, в нечёткой теории вместо отношения принадлежности элементов к множеству рассматривается функция принадлежности со значениями в интервале ${\displaystyle [0,1]}$: элемент чётко не принадлежит множеству если функция его принадлежности равна нулю, чётко принадлежит — если единице, в остальных случаях отношение принадлежности считается нечётким. Применяется в теории информации, кибернетике, информатике.

Теория мультимножеств^[42], в применении к теории сетей Петри называемая теорией комплектов, рассматривает в качестве основного понятия наборы элементов произвольной природы, в отличие от множества, допускающие присутствие нескольких экземпляров одного и того же элемента, отношение включения в этой теории заменено функцией числа экземпляров: ${\displaystyle \sharp (a,A)}$ — целое число вхождений элемента ${\displaystyle a}$ в мультимножество ${\displaystyle A}$, при объединении комплектов число экземпляров элементов берётся по максимуму вхождений (${\displaystyle \sharp (a,A_{1}\cup A_{2})=\max(\sharp (a,A_{1}),\sharp (a,A_{2})}$), при пересечении — по минимуму (${\displaystyle \sharp (a,A_{1}\cap A_{2})=\min(\sharp (a,A_{1}),\sharp (a,A_{2})}$)^[43]. Используется в теоретической информатике, искусственном интеллекте, теории принятия решений.

Альтернативная теория множеств^[англ.] — теория, развиваемая чехословацкими математиками с 1970-х годов, в основном в работах Петра Вопенки (чеш. Petr Vopěnka)^[44], основывающаяся на чёткой формализации множества как объекта, индуктивно построимого из пустого множества и заведомо существующих элементов, для свойств объектов, допускающих рассмотрения их в целой совокупности, вводится понятие классов, а для изучения подклассов множеств используется концепция полумножеств^[англ.].

В 1960—1970-е годы в рамках

.

Также в большей степени под культурным, нежели содержательным влиянием теории множеств немецким дизайнером

Europa-Center

.

Примечания

• Аксиоматические теории множеств / В. Г. Кановей // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
• Н. Бурбаки. Основания математики. Логика. Теория множеств // Очерки по истории математики / И. Г. Башмакова (перевод с французского). — М.: Издательство иностранной литературы
  , 1963. — С. 37—53. — 292 с. — (Элементы математики).
• Г. Кантор. Труды по теории множеств. — М.: Наука, 1985. — 430 с. — (Классики науки). — 3450 экз..
• ISSN 0042-1316
  .
• К. Куратовский, А. Мостовский
  . Теория множеств / Перевод с английского М. И. Кратко под редакцией А. Д. Тайманова. — М.: Мир, 1970. — 416 с.
• Ф. А. Медведев. Развитие теории множеств в XIX веке. — М.: Наука, 1965. — 232 с. — 2500 экз.
• А. Френкель, И. Бар-Хиллел. Основания теории множеств / Перевод с английского Ю. А. Гастева под редакцией А. С. Есенина-Вольпина
  . — М.: Мир, 1966. — 556 с.